新華網:南開博士「水系鋅離子」電池科研成果登上龍頭雜誌《美國...

2021-01-20 南開大學新聞網

　　新華網天津11月24日電(張建新 馬超)南開大學化學學院博士研究生張寧針對「水系鋅離子」電池設計出全新正極材料及電解液，首次將陽離子缺陷型鋅錳氧化物用於正極，同時首次使用高濃度大陰離子電解液三氟甲烷磺酸鋅，使得鋅離子電池的效能、安全性、穩定性等均有大幅提升和改進。

　　相關科研成果近日發表在材料與化學類龍頭期刊《美國化學會志》，該成果現已申請專利。

　　「為什麼電動汽車、手機爆炸事件時有發生？因為鋰離子電池由於其特性而具有一定安全隱患。」張寧介紹，鋰離子電池已經廣泛應用於人們的生產生活中，然而由於鋰離子在正負極間穿梭脫嵌，易在負極表面形成針狀金屬鋰即「鋰枝晶」，從而刺穿隔膜造成內短路，加上易燃有機電解液的使用大大降低了鋰電池的安全性。

　　此外，鋰資源短缺且分布不均勻(主要集中在南美)，使鋰離子電池價格不斷攀升，這些不利於其在大規模儲能領域的應用。「由於鋅資源豐富廉價，同時水系電解液不存在易燃易爆隱患，其特點適合大規模儲能體系，如智能電網。所以，我們將研究目標鎖定為水系鋅離子電池。」

　　在正極材料方面，張寧及其團隊通過不斷探索優化實驗條件，利用低溫溶液法成功合成了陽離子缺陷型ZnMn2O4用作正極。該材料尺寸約為15 nm，具有豐富的陽離子缺陷。這種獨特的結構，有利於提升Zn離子在尖晶石結構中的脫嵌動力學，可逆容量達到150mAh/g，實現了Zn的有效儲存，大大提升了鋅離子電池的循環穩定性，循環500次後，容量保持率高達94%。而現有鹼性體系鋅錳電池穩定性很差，循環壽命普遍低於50次，且容量衰減很快。這一材料，是首次應用於水系鋅離子電池中。

　　傳統的硫酸鋅電解液存在鋅離子沉積/析出動力學緩慢、庫倫效率低等問題，表現為在同一電池體系中，充放電容量低、難以快速充電等。在實驗中，張寧帶領團隊對比了硫酸鋅(ZnSO4)、硝酸鋅(Zn(NO3)2)、氯化鋅(ZnCl2)和三氟甲烷磺酸鋅(Zn(CF3SO3)2)四種電解液，研究發現，三氟甲烷磺酸鋅作為大陰離子結構的電解液，具備良好的鋅離子沉積、析出動力學，100%庫倫效率即可以實現快速充電且能量「零浪費」。此外，張寧還進一步研究了不同電解液濃度對電化學性能的影響。發現，高濃的電解液可以有效減少Zn離子的溶劑化效應，降低了水分解等副反應，可以提高電池體系的穩定性。這一水系鋅離子電池電解液體系，也是首次提出。

　　「我們通過X射線粉末衍射，拉曼光譜，同步輻射，固體核磁等技術，闡述了正極材料的充放電機理，加深了對這一體系的理解。」張寧說，這些先進表徵技術能夠更加清楚地解釋科學問題。

　　鋅離子電池的使用不僅可以大大提升電池性能、安全穩定性，還可以降低成本。據了解，當前市場上金屬鋅價格為約2美元每千克，而金屬鋰價格約為300美元每千克；從年產量上看，金屬鋅年產約500萬噸，而金屬鋰年產只有約4萬噸；二者地殼豐度分別為80ppm和17ppm左右。鋅資源廉價易得，更適於在生產實踐中大規模使用。(完)

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